과학자들은 큐비트의 상호 작용과 양자 상태의 변화를 연구하기 위해 ACE 알고리즘을 개발하여 양자 역학 계산을 단순화하고 양자 컴퓨팅 및 전화 통신의 발전을 위한 길을 열었습니다.
실용적인 양자 컴퓨팅은 또 다른 단계입니다.
연구원들은 큐비트와 주변 환경의 상호 작용 및 양자 상태의 후속 변화를 연구하도록 설계된 ACE(Automated Compression of Arbitrary Environments)라는 새로운 알고리즘을 도입했습니다. 양자 역학의 계산을 단순화함으로써 양자 역학의 Feynman 해석을 기반으로 하는 이 알고리즘은 양자 시스템을 이해하고 활용하는 새로운 방법을 제공합니다. 잠재적인 응용 프로그램에는 양자 일관성 및 얽힘에 대한 보다 정확한 예측을 제공하는 양자 전화 통신 및 컴퓨팅의 발전이 포함됩니다.
기존 컴퓨터는 0과 1로 표시되는 큐비트를 사용하여 정보를 전송하는 반면 양자 컴퓨터는 대신 양자비트(큐비트)를 사용합니다. 비트와 유사하게 큐비트에는 0과 1의 두 가지 주요 상태 또는 값이 있습니다. 그러나 비트와 달리 큐비트는 동시에 두 상태에 존재할 수 있습니다.
이것은 당혹스러운 아이러니처럼 보일 수 있지만 동전에 대한 간단한 비유로 설명할 수 있습니다. 고전적인 비트는 머리나 꼬리(1 또는 0)가 위를 향하는 뻗은 동전으로 표현될 수 있는 반면, 큐비트는 머리와 꼬리가 있는 회전하는 동전으로 생각할 수 있지만 머리인지 꼬리인지는 알 수 없습니다. 회전을 멈추는 즉시 결정됩니다. 즉, 원래 상태를 잃습니다.
회전하는 동전이 멈추면 큐비트의 두 상태 중 하나가 결정되는 양자 유추에 대한 유추 역할을 할 수 있습니다. ~에 양적 통계예를 들어 한 큐비트의 상태 0(1)은 다른 큐비트의 상태 0(1)과 고유하게 연결되어야 합니다. 두 개 이상의 물체의 양자 상태가 서로 연결되는 것을 양자 얽힘이라고 합니다.
양자 얽힘 챌린지
양자 컴퓨팅의 주요 어려움은 큐비트가 환경에 둘러싸여 있고 환경과 상호 작용한다는 것입니다. 이 상호 작용으로 인해 큐비트의 양자 얽힘이 악화되어 서로 분리될 수 있습니다.
두 통화의 유사성은 이 개념을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 두 개의 동일한 동전을 한 번에 돌린 다음 곧 꺼지면 앞면이든 뒷면이든 같은 면이 위로 향하게 될 수 있습니다. 동전 간의 이러한 동기화는 양자 얽힘과 비교할 수 있습니다. 그러나 동전이 더 오랜 시간 동안 계속 회전하면 결국 동기화가 손실되고 더 이상 같은 면(앞면 또는 꼬리면)이 위를 향하지 않게 됩니다.
동기화 손실은 주로 테이블과의 마찰로 인해 회전하는 동전이 점차 에너지를 잃기 때문에 발생하며 각 동전은 고유한 방식으로 이를 수행합니다. 양자 영역에서 마찰, 즉 환경과의 상호 작용으로 인한 에너지 손실은 결국 양자 결어긋남으로 이어지며, 이는 큐비트 간의 동기화 손실을 의미합니다. 이로 인해 양자 상태의 위상(동전의 회전 각도로 표시됨)이 시간이 지남에 따라 무작위로 변경되어 양자 정보가 손실되고 양자 컴퓨팅이 불가능해지는 큐비트 디페이싱이 발생합니다.
효과적인 표현은 전적으로 자동으로 결정되며 근사치나 선입견을 기반으로 하지 않습니다. 저작권 정보: Alexei Vagov
양자 일관성 및 역학
오늘날 많은 연구자들이 직면한 주요 과제는 더 오랜 기간 동안 양자 일관성을 유지하는 것입니다. 이는 양자 역학이라고도 하는 시간 경과에 따른 양자 상태의 진화를 정확하게 설명함으로써 달성할 수 있습니다.
양자 메타물질을 위한 MIEM HSE 센터의 과학자들은 독일 및 영국의 동료들과 협력하여 큐비트와 환경의 상호 작용 및 그에 따른 변화를 연구하기 위한 솔루션으로 ACE(Automated Compression of Arbitrary Environments)라는 알고리즘을 제안했습니다. 시간이 지남에 따라 양자 상태에서.
양자 역학에 대한 통찰력
“거의 무한한 수의 진동 모드 또는 환경의 자유도는 컴퓨팅 양자 역학을 특히 어렵게 만듭니다. 실제로 이 작업에는 수조 개의 다른 양자 시스템에 둘러싸여 있는 동안 단일 양자 시스템의 역학을 계산하는 작업이 포함됩니다. 여기서 직접 계산은 불가능합니다. 어떤 컴퓨터도 처리할 수 없기 때문입니다.
그러나 환경의 모든 변화가 동일한 중요성을 갖는 것은 아닙니다. 양자 시스템에서 충분한 거리에서 발생하는 변화는 주요 방식으로 역학에 영향을 미칠 수 없습니다. ‘관련된’ 환경 자유도와 ‘관련 없는’ 환경 자유도의 구분은 우리 방법의 기초에 있습니다.
파인만 해석과 ACE 알고리즘
미국의 유명한 물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman)이 제안한 양자역학 해석에 따르면 시스템의 양자 상태를 계산하는 것은 상태가 달성될 수 있는 모든 가능한 방법의 합을 계산하는 것입니다. 이 설명은 양자 입자(시스템)가 앞뒤, 오른쪽 또는 왼쪽, 심지어 시간을 거슬러 올라가는 등 가능한 모든 방향으로 이동할 수 있다고 가정합니다. 입자의 최종 상태를 계산하려면 이러한 모든 궤적의 양자 확률을 추가해야 합니다.
문제는 전체 환경은 말할 것도 없고 단일 입자에 대해서도 가능한 궤적이 많다는 것입니다. 우리의 알고리즘은 무시할 수 있는 경로를 제거하면서 큐비트 역학에 크게 기여하는 경로만 고려할 수 있게 합니다. 우리의 방법에서 큐비트와 그 환경의 진화는 서로 다른 시점에서 전체 시스템의 상태를 설명하는 행렬 또는 숫자 표인 텐서에 의해 캡처됩니다. 그런 다음 시스템의 역학과 관련된 텐서 부분만 선택합니다.”라고 Alexey Vagoff는 설명합니다.
결론: ACE 알고리즘의 의미
연구원들은 임의 환경에 대한 자동화된 압축 알고리즘이 공개적으로 사용 가능하고 컴퓨터 코드로 구현된다고 주장합니다. 저자에 따르면 다중 양자 시스템의 역학을 정확하게 계산할 수 있는 완전히 새로운 가능성을 열어줍니다. 특히, 이 방법은 얽힘까지의 시간을 예측할 수 있게 합니다. 광자 양자 전화 회선의 쌍은 양자 입자가 순간 이동할 수 있는 거리 또는 양자 컴퓨터의 큐비트가 일관성을 잃는 데 걸리는 시간인 얽힘이 해제됩니다.
참조: “Simulation of Open Quantum Systems by Automated Compression of Random Environments” Moritz Sigorek, Michael Kozacchi, Aleksey Fagov, Vollrath-Martin Akst, Brendon W. Lovett, Jonathan Keeling, Eric M. Guger, 2022년 3월 24일, 이용 가능 여기. 자연 물리학.
DOI: 10.1038/s41567-022-01544-9
“경순은 통찰력 있고 사악한 사상가로, 다양한 음악 장르에 깊은 지식을 가지고 있습니다. 힙스터 문화와 자연스럽게 어우러지는 그의 스타일은 독특합니다. 그는 베이컨을 좋아하며, 인터넷 세계에서도 활발한 활동을 보여줍니다. 그의 내성적인 성격은 그의 글에서도 잘 드러납니다.”